由“蓋房子”到“頂竹筍”：我國科學(xué)家首創(chuàng)晶體制備新方法

晶體是計算機、通信、航空、激光技術(shù)等方面的關(guān)鍵材料。制備大尺寸晶體的傳統(tǒng)方法是將原子一層一層地堆積在晶體的小顆粒表面，就像“蓋房子”一樣，從地基上一步一步“砌磚”，最后建成“房子”。

北京大學(xué)科研團(tuán)隊在世界范圍內(nèi)創(chuàng)造了一種全新的晶體制備技術(shù)，使材料像“頂部結(jié)構(gòu)上升”的“頂部竹筍”一樣生長，可以保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長和均勻排列，大大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。這一“長材料”的新方法有望提高芯片集成度和計算率，為新一代電子和光子集成電路提供新材料。這一突破性成果于7月5日在《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

晶圓級二維晶體采用“晶格傳質(zhì)-界面生長”的新方法制備

劉開輝教授介紹了北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚物理與材料物理研究所的優(yōu)勢。傳統(tǒng)晶體制備工藝的局限性在于，在沉積結(jié)合形成晶體之前，需要嚴(yán)格篩選原子的類型和排列方法。隨著原子數(shù)量的增加，原子排列逐漸失控，雜質(zhì)和缺陷累積，影響晶體的純度和質(zhì)量。因此，迫切需要開發(fā)新的制備工藝，以更準(zhǔn)確地控制原子排列，更精細(xì)地控制晶體生長過程。

因此，劉開輝及其合作伙伴最初提出了一種新的晶體制備范式，稱為“晶格傳質(zhì)-界面生長”:首先將原子排列在“基礎(chǔ)”，即厘米級金屬表面形成第一層晶體，然后新添加的原子進(jìn)入金屬與第一層晶體之間，晶體層在頂部形成生長，不斷產(chǎn)生新的晶體層。

二維晶體工藝采用“晶格傳質(zhì)-界面生長”的新方法制備

實驗表明，這種“長材料”的獨特方法可以使晶體層的結(jié)構(gòu)速度達(dá)到每分鐘50層，最高層數(shù)達(dá)到15000層，每層的原子排列完全平行、精確、可控，有效避免了缺陷的積累，提高了結(jié)構(gòu)的可控性。利用這一新方法，團(tuán)隊已經(jīng)準(zhǔn)備了7種優(yōu)質(zhì)的二維晶體，如硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等。這些晶體的單層厚度只有0.7納米，而目前使用的硅材料大多是5-10納米。

基于二維晶體電子和光子集成電路

“當(dāng)這些二維晶體被用作集成電路中晶體管的材料時，芯片集成度可以顯著提高。在指甲大小的芯片上，可以大大提高晶體管的密度，從而實現(xiàn)更強的計算能力?！眲㈤_輝說，此外，這種晶體還可以用于紅外波段變頻控制，有望促進(jìn)超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用。

原題：“突破性成果！我們國家的科學(xué)家首創(chuàng)”

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